Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: принципы действия тепловых машин, КПД тепловой машины, тепловые двигатели и охрана окружающей среды.

Коротко говоря, тепловые машины преобразуют теплоту в работу или, наоборот, работу в теплоту.
Тепловые машины бывают двух видов — в зависимости от направления протекающих в них процессов.

1. Тепловые двигатели преобразуют теплоту, поступающую от внешнего источника, в механическую работу.

2. Холодильные машины передают тепло от менее нагретого тела к более нагретому за счёт механической работы внешнего источника.

Рассмотрим эти виды тепловых машин более подробно.

Мы знаем, что совершение над телом работы есть один из способов изменения его внутренней энергии: совершённая работа как бы растворяется в теле, переходя в энергию беспорядочного движения и взаимодействия его частиц.

Рис. 1. Тепловой двигатель

Тепловой двигатель — это устройство, которое, наоборот, извлекает полезную работу из «хаотической» внутренней энергии тела. Изобретение теплового двигателя радикально изменило облик человеческой цивилизации.

Принципиальную схему теплового двигателя можно изобразить следующим образом (рис. 1). Давайте разбираться, что означают элементы данной схемы.

Рабочее тело двигателя — это газ. Он расширяется, двигает поршень и совершает тем самым полезную механическую работу.

Но чтобы заставить газ расширяться, преодолевая внешние силы, нужно нагреть его до температуры, которая существенно выше температуры окружающей среды. Для этого газ приводится в контакт с нагревателем — сгорающим топливом.

В процессе сгорания топлива выделяется значительная энергия, часть которой идёт на нагревание газа. Газ получает от нагревателя количество теплоты . Именно за счёт этого тепла двигатель совершает полезную работу .

Это всё понятно. Что такое холодильник и зачем он нужен?

При однократном расширении газа мы можем использовать поступающее тепло максимально эффективно и целиком превратить его в работу. Для этого надо расширять газ изотермически: первый закон термодинамики, как мы знаем, даёт нам в этом случае .

Но однократное расширение никому не нужно. Двигатель должен работать циклически, обеспечивая периодическую повторяемость движений поршня. Следовательно, по окончании расширения газ нужно сжимать, возвращая его в исходное состояние.

В процессе расширения газ совершает некоторую положительную работу . В процессе сжатия над газом совершается положительная работа (а сам газ совершает отрицательную работу ). В итоге полезная работа газа за цикл: .

Разумеется, должно быть , или (иначе никакого смысла в двигателе нет).

Сжимая газ, мы должны совершить меньшую работу, чем совершил газ при расширении.

Как этого достичь? Ответ: сжимать газ под меньшими давлениями, чем были в ходе расширения. Иными словами, на -диаграмме процесс сжатия должен идти ниже процесса расширения, т. е. цикл должен проходиться по часовой стрелке (рис. 2).

Рис. 2. Цикл теплового двигателя

Например, в цикле на рисунке работа газа при расширении равна площади криволинейной трапеции . Аналогично, работа газа при сжатии равна площади криволинейной трапеции со знаком минус. В результате работа газа за цикл оказывается положительной и равной площади цикла .

Хорошо, но как заставить газ возвращаться в исходное состояние по более низкой кривой, т. е. через состояния с меньшими давлениями? Вспомним, что при данном объёме давление газа тем меньше, чем ниже температура. Стало быть, при сжатии газ должен проходить состояния с меньшими температурами.

Вот именно для этого и нужен холодильник: чтобы охлаждать газ в процессе сжатия.

Холодильником может служить атмосфера (для двигателей внутреннего сгорания) или охлаждающая проточная вода (для паровых турбин). При охлаждении газ отдаёт холодильнику некоторое количество теплоты .

Суммарное количество теплоты, полученное газом за цикл, оказывается равным . Согласно первому закону термодинамики:

где — изменение внутренней энергии газа за цикл. Оно равно нулю: , так как газ вернулся в исходное состояние (а внутренняя энергия, как мы помним, является функцией состояния). В итоге работа газа за цикл получается равна:

(1)

Как видите, : не удаётся полностью превратить в работу поступающее от нагревателя тепло. Часть теплоты приходится отдавать холодильнику — для обеспечения цикличности процесса.

Показателем эффективности превращения энергии сгорающего топлива в механическую работу служит коэффициент полезного действия теплового двигателя.

КПД теплового двигателя — это отношение механической работы к количеству теплоты , поступившему от нагревателя:

С учётом соотношения (1) имеем также

(2)

КПД теплового двигателя, как видим, всегда меньше единицы. Например, КПД паровых турбин приблизительно , а КПД двигателей внутреннего сгорания около .

Житейский опыт и физические эксперименты говорят нам о том, что в процессе теплообмена теплота передаётся от более нагретого тела к менее нагретому, но не наоборот. Никогда не наблюдаются процессы, в которых за счёт теплообмена энергия самопроизвольно переходит от холодного тела к горячему, в результате чего холодное тело ещё больше остывало бы, а горячее тело — ещё больше нагревалось.

Рис. 3. Холодильная машина

Ключевое слово здесь — «самопроизвольно». Если использовать внешний источник энергии, то осуществить процесс передачи тепла от холодного тела к горячему оказывается вполне возможным. Это и делают холодильные
машины.

По сравнению с тепловым двигателем процессы в холодильной машине имеют противоположное направление (рис. 3).

Рабочее тело холодильной машины называют также хладагентом. Мы для простоты будем считать его газом, который поглощает теплоту при расширении и отдаёт при сжатии (в реальных холодильных установках хладагент — это летучий раствор с низкой температурой кипения, который забирает теплоту в процессе испарения и отдаёт при конденсации).

Холодильник в холодильной машине — это тело, от которого отводится теплота. Холодильник передаёт рабочему телу (газу) количество теплоты , в результате чего газ расширяется.

В ходе сжатия газ отдаёт теплоту более нагретому телу — нагревателю. Чтобы такая теплопередача осуществлялась, надо сжимать газ при более высоких температурах, чем были при расширении. Это возможно лишь за счёт работы , совершаемой внешним источником (например, электродвигателем (в реальных холодильных агрегатах электродвигатель создаёт в испарителе низкое давление, в результате чего хладагент вскипает и забирает тепло; наоборот, в конденсаторе электродвигатель создаёт высокое давление, под которым хладагент конденсируется и отдаёт тепло)). Поэтому количество теплоты, передаваемое нагревателю, оказывается больше количества теплоты, забираемого от холодильника, как раз на величину :

Таким образом, на -диаграмме рабочий цикл холодильной машины идёт против часовой стрелки. Площадь цикла — это работа , совершаемая внешним источником (рис. 4).

Рис. 4. Цикл холодильной машины

Основное назначение холодильной машины — охлаждение некоторого резервуара (например, морозильной камеры). В таком случае данный резервуар играет роль холодильника, а нагревателем служит окружающая среда — в неё рассеивается отводимое от резервуара тепло.

Показателем эффективности работы холодильной машины является холодильный коэффициент, равный отношению отведённого от холодильника тепла к работе внешнего источника:

Холодильный коэффициент может быть и больше единицы. В реальных холодильниках он принимает значения приблизительно от 1 до 3.

Имеется ещё одно интересное применение: холодильная машина может работать как тепловой насос. Тогда её назначение — нагревание некоторого резервуара (например, обогрев помещения) за счёт тепла, отводимого от окружающей среды. В данном случае этот резервуар будет нагревателем, а окружающая среда — холодильником.

Показателем эффективности работы теплового насоса служит отопительный коэффициент, равный отношению количества теплоты, переданного обогреваемому резервуару, к работе внешнего источника:

Значения отопительного коэффициента реальных тепловых насосов находятся обычно в диапазоне от 3 до 5.

Важными характеристиками тепловой машины являются наибольшее и наименьшее значения температуры рабочего тела в ходе цикла. Эти значения называются соответственно температурой нагревателя и температурой холодильника.

Мы видели, что КПД теплового двигателя строго меньше единицы. Возникает естественный вопрос: каков наибольший возможный КПД теплового двигателя с фиксированными значениями температуры нагревателя и температуры холодильника ?

Пусть, например, максимальная температура рабочего тела двигателя равна , а минимальная — . Каков теоретический предел КПД такого двигателя?

Ответ на поставленный вопрос дал французский физик и инженер Сади Карно в 1824 году.

Он придумал и исследовал замечательную тепловую машину с идеальным газом в качестве рабочего тела. Эта машина работает по циклу Карно, состоящему из двух изотерм и двух адиабат.

Рассмотрим прямой цикл машины Карно, идущий по часовой стрелке (рис. 5). В этом случае машина функционирует как тепловой двигатель.

Рис. 5. Цикл Карно

Изотерма . На участке газ приводится в тепловой контакт с нагревателем температуры и расширяется изотермически. От нагревателя поступает количество теплоты и целиком превращается в работу на этом участке: .

Адиабата . В целях последующего сжатия нужно перевести газ в зону более низких температур. Для этого газ теплоизолируется, а затем расширяется адиабатно на учатке .

При расширении газ совершает положительную работу , и за счёт этого уменьшается его внутренняя энергия: .

Изотерма . Теплоизоляция снимается, газ приводится в тепловой контакт с холодильником температуры . Происходит изотермическое сжатие. Газ отдаёт холодильнику количество теплоты и совершает отрицательную работу .

Адиабата . Этот участок необходим для возврата газа в исходное состояние. В ходе адиабатного сжатия газ совершает отрицательную работу , а изменение внутренней энергии положительно: . Газ нагревается до исходной температуры .

Карно нашёл КПД этого цикла (вычисления, к сожалению, выходят за рамки школьной программы):

(3)

Кроме того, он доказал, что КПД цикла Карно является максимально возможным для всех тепловых двигателей с температурой нагревателя и температурой холодильника .

Так, в приведённом выше примере имеем:

В чём смысл использования именно изотерм и адиабат, а не каких-то других процессов?

Оказывается, изотермические и адиабатные процессы делают машину Карно обратимой. Её можно запустить по обратному циклу (против часовой стрелки) между теми же нагревателем и холодильником, не привлекая другие устройства. В таком случае машина Карно будет функционировать как холодильная машина.

Возможность запуска машины Карно в обоих направлениях играет очень большую роль в термодинамике. Например, данный факт служит звеном доказательства максимальности КПД цикла Карно. Мы ещё вернёмся к этому в следующей статье, посвящённой второму закону термодинамики.

Тепловые двигатели наносят серьёзный ущерб окружающей среде. Их повсеместное использование приводит к целому ряду негативных эффектов.

• Рассеяние в атмосферу огромного количества тепловой энергии приводит к повышению температуры на планете. Потепление климата грозит обернуться таянием ледников и катастрофическими бедствиями.
• К потеплению климата ведёт также накопление в атмосфере углекислого газа, который замедляет уход теплового излучения Земли в космос (парниковый эффект).
• Из-за высокой концентрации продуктов сгорания топлива ухудшается экологическая ситуация.

Это — проблемы в масштабе всей цивилизации. Для борьбы с вредными последствиями работы тепловых двигателей следует повышать их КПД, снижать выбросы токсичных веществ, разрабатывать новые виды топлива и экономно расходовать энергию.

Благодарим за то, что пользуйтесь нашими материалами.
Информация на странице «Тепловые машины» подготовлена нашими редакторами специально, чтобы помочь вам в освоении предмета и подготовке к ЕГЭ и ОГЭ.
Чтобы успешно сдать нужные и поступить в ВУЗ или техникум нужно использовать все инструменты: учеба, контрольные, олимпиады, онлайн-лекции, видеоуроки, сборники заданий.
Также вы можете воспользоваться другими статьями из разделов нашего сайта.

Публикация обновлена:
08.04.2023

§8. Тепловые машины — ЗФТШ, МФТИ

Пусть есть тело, называемое рабочим телом, которое может совершать цикл (не обязательно равновесный), периодически вступая в тепловой контакт с двумя телами. Тело с более высокой температурой назовём условно нагревателем, а с более низкой температурой – холодильником. За цикл рабочее тело совершает положительную или отрицательную работу $$ A$$. Такое устройство будем называть тепловой машиной. Тепловая машина, которая служит для получения механической работы, называется  тепловым двигателем. Тепловая машина, служащая для передачи количества теплоты от менее нагретого тела (холодильника) к более нагретому (нагревателю), используя работу окружающих тел над рабочим телом, называется тепловым насосом или холодильной установкой (холодильником). Деление на тепловые насосы и холодильные установки условное, связанное с предназначением этих тепловых машин. Тепловой насос используется для поддержания в помещении температуры, которая выше температуры окружающей среды. Холодильная установка используется для поддержания в некотором объёме  (камере)  температуры  более  низкой, чем снаружи. 

В тепловом двигателе рабочее тело совершает прямой цикл, а в тепловом насосе и холодильной установке – обратный. {-})=A.$$ Поэтому

Видим, что КПД теплового двигателя меньше единицы. Причиной этого является то, что для обеспечения периодичности в работе теплового двигателя необходимо часть тепла, взятого у нагревателя, обязательно отдать холодильнику.

С. Карно (1796 – 1832) установил, что максимальный КПД теплового двигателя, работающего с нагревателем температуры $$ {T}_{1}$$ и холодильником температуры $$ {T}_{2}$$, независимо от рабочего тела есть 

Это достигается, если рабочее тело совершает цикл Карно, т. е. равновесный цикл, состоящий из двух адиабат и двух изотерм с температурами $$ {T}_{1}$$ и $$ {T}_{2}$$. На изотерме с $$ {T}_{1}$$ рабочее тело получает тепло от нагревателя, а на изотерме с $$ {T}_{2}$$ – отдаёт тепло холодильнику. Цикл Карно для идеального газа изображён на рис. 9:  `1-2` и `3-4` – изотермы, `2-3` и  `4-1` – адиабаты.  Тепловая  машина,  работающая   по прямому или обратному циклу Карно, называется идеальной тепловой машиной.

Термоэлектрические охладители | Министерство энергетики

Изображение

Термоэлектрическое охлаждение – это новая технология, которая может революционизировать способы сохранения холода, будь то еда, вино, пиво или сигары. По сути, это совершенно другой подход к охлаждению, чем у стандартных компрессоров.

Как работают компрессорные охладители

Компрессоры являются сердцем холодильников и кондиционеров. Компрессор работает благодаря специальным химическим хладагентам, способным превращаться из жидкости в газ при достаточно низких температурах. При расширении в газ хладагент способен поглощать тепло.

При подключении к термостату компрессоры циклически включаются и выключаются, чтобы поддерживать температуру в нужном диапазоне, оказывая давление на хладагент, чтобы он снова превратился в жидкость, позволяя, таким образом, всему теплу, которое хладагент нес, высвобождаться в воздух. . Когда хладагент снова стал холодной жидкостью, он готов вернуться внутрь, чтобы набрать больше тепла и продолжить охлаждение.

Как работают термоэлектрические охладители

Изображение

Как следует из названия, термоэлектрические системы охлаждения основаны на электричестве, протекающем по двум разным типам проводников, например, из разных металлов, таких как медь или цинк. Когда прикладывается постоянное напряжение и постоянный ток течет от одного проводника к другому, происходит изменение температуры в месте соединения двух проводников. Когда этот небольшой термоэлектрический эффект умножается за счет создания соединений между двумя керамическими пластинами, создается охлаждающий эффект, достаточно сильный, чтобы охлаждать бытовые приборы и компьютеры.

Изображение

Одна тарелка — «холодная сторона», а другая — «горячая сторона». Холодная сторона помещается внутрь холодильника без льда или винного холодильника, а горячая сторона соединяется с металлическими ребрами, которые действуют как теплоотвод, помогая рассеивать избыточное тепло снаружи устройства.

Термоэлектрическое охлаждение (TEC) также известно как твердотельное охлаждение, поскольку через машину не проходит жидкий хладагент. Вместо этого для передачи тепловой энергии используется твердый металл.

Изделия, в которых обычно используется термоэлектрическая энергия

• Небольшие холодильники и винные холодильники
• Электрические портативные холодильники для пикника, напитков и автомобилей
• Портативные и персональные кондиционеры и другие небольшие охлаждающие устройства
• Сиденье с охлаждением
• Охлаждаемые покрытия, такие как одеяла

Преимущества термоэлектрического охлаждения

В общем, TEC лучше всего работает в небольших помещениях, особенно для электронных устройств, где просто недостаточно места для установки компрессорного охладителя. В охладителе небольшого размера эти системы также достаточно эффективны и могут потреблять меньше электроэнергии, чем блок на основе компрессора того же размера. Термоэлектрическое охлаждение также позволяет очень точно контролировать температуру с точностью до 0,1 градуса при определенных условиях.

Твердотельные охлаждающие устройства не имеют движущихся частей, поэтому вероятность их поломки гораздо ниже, чем у традиционных компрессоров, для которых требуется несколько вентиляторов и длинных змеевиков, через которые должен проходить хладагент.

TEC не используют хладагенты, которые, как известно, повреждают озоновый слой, если вытекают из неисправной машины. Эти хладагенты также затрудняют правильную утилизацию.

ТИК тоже молчит. В отличие от компрессора, который вибрирует при работе и может быть довольно громким при включении, простой электрический ток, необходимый для работы ТЭО, вообще не издает звука, если только не установлен вентилятор для улучшения циркуляции воздуха.

Недостатки термоэлектрического охлаждения

Установки ТЭО быстро становятся дорогостоящими при использовании в больших помещениях. Это связано с тем, что для покрытия большей площади требуется больше керамических пластин, что, в свою очередь, требует более высокого входного напряжения для работы. Другими словами, чем больше требуется керамических пластин, тем больше электроэнергии требуется для работы машины. С другой стороны, компрессоры немного большего размера потребляют не намного больше электроэнергии, чем компрессор меньшего размера.

Способность к охлаждению ТЭО полностью зависит от температуры окружающей среды. В отличие от компрессорной системы, которая в некоторых случаях может поддерживать температуру ниже точки замерзания, термоэлектрическое устройство может понизить температуру только до определенной точки ниже комнатной. Это может не быть проблемой в помещении, если у вас есть центральное отопление и кондиционер для ограничения экстремальных температур, но разница температур может иметь большое значение в жилых домах или кемпингах. Хотя термоэлектрическое охлаждение обеспечивает точный контроль температуры, важно понимать, что это только в пределах диапазона, допускаемого наружной температурой в любой день.

Термоэлектрические охладители также не осушают воздух вокруг себя. Керамические пластины просто передают тепло из одной области в другую, оставляя нетронутой влажность воздуха. Это замечательно, когда осушение может быть нежелательным результатом; например, хьюмидоры для сигар, которые должны оставаться достаточно влажными при охлаждении. Поскольку TEC не имеет никакого влияния на уровень влажности в хьюмидоре, гораздо проще поддерживать постоянный уровень влажности без необходимости постоянно добавлять влагу, чтобы не отставать от осушения компрессора. В холодном климате термоэлектрический охладитель также может работать в обратном направлении, что позволит ему работать в качестве нагревателя для поддержания идеальной температуры для сигар круглый год.

Это сильно отличается от компрессорного охлаждения, при котором холодные испарители снижают точку росы воздуха и вызывают конденсацию влаги. Эти капли воды выносятся наружу и оставляются в компрессорном кондиционере, эффективно снижая влажность воздуха в доме. Это очень желательно для холодильника, чтобы продукты оставались сухими, чтобы предотвратить гниение.

Что лучше – конденсаторный охладитель или электрический охладитель Thermo ?

Выберите термостатический охладитель, если…

• ✓ Вы очень заботитесь об окружающей среде
• ✓ Вы планируете держать его в помещении с постоянной температурой круглый год
• ✓ Вы выдерживаете вино и хотите уменьшить вибрации, которые могут взбалтывать осадок
• ✓ Вы хотите точно контролировать внутреннюю температуру

Выбирайте компрессорный охладитель, если…

• ✓ Вы живете в климате с экстремальными температурами
• ✓ Вы хотите, чтобы газированные напитки были очень холодными
• ✓ Вас не беспокоит звук вашего обычного холодильника
• ✓ Вам нужен очень большой объем памяти

Термоэлектрическое охлаждение — захватывающая технология, и она определенно имеет место, когда речь идет о винных холодильниках и хьюмидорах. При покупке обязательно внимательно сравните варианты и помните о наиболее важных характеристиках идеального прибора.

11.8: Тепловые двигатели и холодильники

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Идентификатор страницы

  8624

• Джереми Татум
• Университет Виктории

На рис. XI.8 схематично показан путь, пройденный состоянием рабочего тела, — обобщенная тепловая машина. В верхней части цикла (сплошная кривая) рабочее тело расширяется, а машина совершает работу. Проделанная работа на двигатель равен ∫ PdV или площади под этой частью кривой. В нижней части цикла (штриховая кривая) происходит сжатие рабочего тела; работа ведется на ит. Эта работа представляет собой площадь под пунктирной частью цикла. нетто работа, выполненная на двигатель во время цикла, равна работе, выполненной на двигатель при расширении минус работа, выполненная на во время части цикла сжатия, и это область, окруженная циклом.

В течение одной части цикла любой тепловой машины тепло передается двигателю, а в течение других частей теряется тепла из его. Как описано в разделе 11.1, КПД η тепловой машины определяется как

\[ \eta=\frac{\textbf{ net} ~ \text{внешняя работа} ~ \textbf{by} ~ \text{двигатель во время цикла}}{\text {подведенное тепло} ~ \textbf{ to} ~ \textbf{двигатель во время цикла.}}\]

Обратите внимание, что слово «net» отсутствует в знаменателе. Эффективность также может быть рассчитано из

\[ \eta=\frac{Q_{\text {in}}-Q_{\text{out}}}{Q_{\text{in}}},\]

, хотя я подчеркиваю, что это не определение .

В двигателе Карно , который является наиболее эффективным мыслимым двигателем для данной температуры источника и стока, КПД составляет

.

\[ \eta=\frac{T_{2}-T_{1}}{T_{2}},\]

, где T ₂ и T ₁ — соответственно температуры горячего источника и холодного стока.

Если рабочее тело брать за цикл в плоскости PV в направлении против часовой стрелки , то устройство является холодильником .

В этом случае площадь, ограниченная циклом, равна чистой работе, совершаемой над рабочим телом. Если холодильник работает по обратному циклу Карно , то рабочее тело получает за (от чего бы оно ни пыталось охладить) количество теплоты Q ₁ при изотермическом расширении от d до c (см. рис. XI.1, но с перевернутыми стрелками) и выделяет a (большее) количество тепла 191 2 Q при изотермическом сжатии от b до a . Это количество Q ₂ выбрасывается в комнату, поэтому при включении холодильника в комнате становится теплее. (Что – вы никогда не замечали?) Охлаждающий эффект равно Q ₁ , так как это количество теплоты, полученное холодильником от охлаждаемого тела.

Коэффициент полезного действия холодильника определяется

\[ \frac{\text { охлаждающий эффект}}{\text {совершенная чистая работа} ~ \textbf{on} ~ \text{двигатель во время цикла. }}\]

По первому закону термодинамики знаменатель выражения равен Q ₂ − Q ₁ , а для обратимого цикла Карно энтропия in равна энтропии out, поэтому 1 . Следовательно, коэффициент полезного действия холодильного цикла Карно можно рассчитать по формуле

.

\[ \frac{T_{1}}{T_{2}-T_{1}}.\]

Это значение, конечно, может быть намного больше 1, но ни один холодильник, работающий между одинаковыми температурами источника и стока, не может иметь коэффициент полезного действия больше, чем у реверсивного холодильника Карно.

Конечно, рабочее тело в реальном холодильнике («холодильнике») не является идеальным газом, и при этом не следует циклу Карно — слишком много практических трудностей на пути к осуществлению этой идеальной мечты. Как упоминалось в другом месте этого курса, я не практичный человек и не умею описывать настоящие, практичные машины. Фундаментальные принципы, описанные в этом разделе, безусловно, по-прежнему применимы в реальном мире! В реальном холодильнике рабочее вещество (хладагент ) представляет собой летучую жидкость, которая испаряется на одной стадии операции и конденсируется в жидкость на другой стадии. В промышленных холодильниках хладагентом может быть аммиак, но он считается слишком опасным для бытового использования. «Фреон», представляющий собой смесь хлорфторуглеродов, таких как CCl ₂ F ₂ , какое-то время был в моде, но уже некоторое время было известно, что выделяющиеся хлорфторуглероды вызывают расщепление озона (O ₃ ) в атмосферу, тем самым разрушая нашу защиту от ультрафиолетового излучения Солнца. Хлорфторуглероды были в значительной степени заменены гидрофторуглеродами, такими как C ₂ H ₂ F ₄ , которые считаются менее разрушительными для озонового слоя. Точная формула или смесь, несомненно, является коммерческой тайной.

Жидкость нагнетается по системе труб с помощью насоса, называемого компрессором . Незадолго до того, как жидкость попадает в морозильную камеру, она уже находится в жидком состоянии и движется по довольно узким трубкам. Затем через сопло он поступает в систему более широких труб (испаритель ), окружающих морозильник, и там испаряется, получая тепло от пищи и воздуха в морозильнике. Вентилятор также может распределять охлажденный воздух по остальной части холодильника. После выхода из морозильной камеры пар возвращается в компрессор, где он, разумеется, сжимается (поэтому насос и называется компрессором). Это производит тепло, которое рассеивается в помещении, когда жидкость проталкивается через ряд труб и лопастей, известных как конденсатор, в задней части холодильника, где жидкость снова конденсируется в жидкую форму. Затем цикл начинается заново.

Следующая сводка по тепловым двигателям и холодильникам Карно может оказаться полезной. (Но просто помните, что, хотя циклы Карно являются наиболее эффективными двигателями и холодильниками для заданных температур источника и стока, практическая реализация реального двигателя или холодильника может не быть идентична этому теоретическому идеалу.)

Обозначение :

T ₂ = более высокая температура

T ₁ = температура охладителя

Q ₂ = тепло, полученное или потерянное на T ₂

Q ₁ = тепло, полученное или потерянное на T ₁

\( \Delta S=0 \qquad \frac{Q_{1}}{T_{1}}=\frac{Q_{2}}{T_{2}}\)

Тепловая машина :

\(\Delta U=0 \quad \text {Сетевая работа выполнена}~ \textbf{by} ~ \text{engine }=Q_{2}-Q_{1}.\)

\( \text { Эффективность } \eta=\frac{Q_{i n}-Q_{\text {out}}}{Q_{\text {in}}}=\frac{Q_{2}-Q_{1 }}{Q_{2}}=\frac{T_{2}-T_{1}}{T_{2}}\)

Холодильник :

\(\Delta U=0 \qquad \text {Сетевая работа выполнена} ~ \textbf{ вкл} ~ \text{холодильник }=Q_{2}-Q_{1}\)

\( \text {Коэффициент производительности} P=\frac{Q_{\text {in}}}{Q_{\text { oxt}}-Q_{\text {in}}}=\frac{Q_{1 }}{Q_{2}-Q_{1}}=\frac{T_{1}}{T_{2}-T_{1}}\)

Тепловой насос :

Принцип работы теплового насоса такой же, как и у холодильника, за исключением того, что его назначение другое. Цель холодильника — извлекать тепло из чего-либо (например, из еды) и, таким образом, делать его холоднее. То, что извлекаемое таким образом тепло поступает в помещение, чтобы сделать его теплее (по крайней мере, в принципе), является случайным. Важно то, сколько тепла извлекается из пищи, и поэтому уместно определить коэффициент полезного действия холодильника как холодопроизводительность (т. е. Q ₁ ), деленная на чистую работу, выполняемую холодильником за цикл. Но с тепловым насосом цель состоит в том, чтобы нагреть комнату за счет извлечения тепла извне. То, что на улице может стать прохладнее (по крайней мере, в принципе), это случайно. Таким образом, для теплового насоса подходящим определением коэффициента полезного действия является тепловой эффект (т. е. Q ₂ ), разделенный на чистую работу, выполняемую холодильником за цикл.

\( \Delta U=0 \qquad \text { Чистая работа выполнена} ~ \textbf{on} ~ \text{тепловой насос }=Q_{2}-Q_{1}\)

\( \text{Коэффициент производительности} ~ P=\frac{Q_{\mathrm{out}}}{Q_{\mathrm{out}}-Q_{\mathrm{in}}}=\frac{Q_{ 2}}{Q_{2}-Q_{1}}=\frac{T_{2}}{T_{2}-T_{1}}\)

Из этого уравнения видно, что чем теплее снаружи ( T ₁ ), тем больше коэффициент полезного действия. Поэтому вы можете задаться вопросом, практично ли использовать тепловой насос для обогрева здания в холодном климате, например, зимой в Квебеке. А если нет, то можно ли придумать двигатель, который одновременно является холодильником и тепловым насосом; то есть он извлекает тепло из пищи (то есть охлаждает) и передает это тепло (плюс немного больше из-за работы, выполняемой холодильником / тепловым насосом) в комнату, чтобы эффективно обогревать комнату. . На это есть ответ в статье в Victoria Times-Colonist от 11 июня 2006 года, которую я с разрешения воспроизвожу ниже.

Кондиционер

Предназначение холодильника («холодильника») состоит в том, чтобы откачивать некоторое количество тепла Q ₁ из пищи (или того, что должно оставаться прохладным). Величина Q ₁ представляет собой «эффект охлаждения». При работе холодильника в помещение выделяется несколько большее количество Q ₂ тепла, хотя это не должно приводить к очень заметному повышению температуры помещения, отчасти потому, что помещение имеет большую теплоемкость , и отчасти потому, что большая часть этого тепла будет теряться через окна. Коэффициент полезного действия холодильника – это холодопроизводительность за цикл, Q ₁ , деленная на чистую работу, выполненную холодильником за цикл, и для цикла Карно его можно рассчитать по формуле T ₁ /( Т ₂ − Т ₁ ).

Целью теплового насоса является перекачка некоторого количества тепла Q ₁ извне и (за счет работы насоса) перекачка большего количества Q ₂ тепла в комнату – достаточно большой, чтобы заметно обогреть комнату, если не держать все окна широко открытыми. Таким образом, коэффициент полезного действия должен быть определен как Q ₂ , деленное на чистую работу, выполняемую холодильником за цикл. Для цикла Карно его можно рассчитать как T ₂ /( T ₂ − T ₁ ).

Есть и третья возможность, а именно кондиционер. Это будет включать в себя осушитель, но в нашем нынешнем контексте мы рассматриваем его как устройство, целью которого является перекачка тепла из комнаты наружу, а не извне в комнату. В случае успеха в помещении станет прохладнее, чем снаружи. Таким образом, кондиционер больше похож на холодильник в том смысле, что коэффициент полезного действия равен 9 тепла.0143 Q ₁ извлечение за цикл из помещения, деленное на чистую работу, выполненную машиной за цикл. Для цикла Карно его можно рассчитать как T ₁ / ( T ₂ − T ₁ ).

\( \Delta U=0 \qquad \text {Сетевая работа выполнена} ~ \textbf{вкл} ~ \text{кондиционер }=Q_{2}-Q_{1}\).

\(\ text { Коэффициент полезного действия } P = \ frac {Q _ {\ text { in }}} {Q _ {\ text { out }} -Q _ {\ text { in }}} = \ frac {Q_ {1 }}{Q_{2}-Q_{1}}=\frac{T_{1}}{T_{2}-T_{1}}\).

Те, кто дочитал до этого момента, поймут, что существуют вещи, называемые тепловыми двигателями , холодильниками , тепловыми насосами и кондиционерами , которые представлены циклами Карно или аналогичными циклами со стрелками, идущими в разных направлениях, несколько уравнений с разными нижними индексами и слегка отличающиеся определения эффективности или коэффициента производительности. С тех пор, как я подготовил эти заметки, я обнаружил, что в реальном мире действительно существуют настоящие прочные машины, называемые 9.0143 тепловые двигатели, холодильники, тепловые насосы и кондиционеры . Я нашел две очень милые небольшие брошюры, описывающие настоящие тепловые насосы и настоящие кондиционеры, а также способы их установки для обогрева или охлаждения вашего дома. Они называются Отопление и охлаждение с тепловым насосом и Кондиционирование воздуха в вашем доме , каждая примерно по 50 страниц. Мои экземпляры датированы 1996 годом, переработаны в 2004 году, хотя я осмелюсь сказать, что вы могли бы получить более свежие экземпляры. Их можно бесплатно получить в Energy Publications, Office of Energy Efficiency, Natural Resources Canada, c/o S.J.D.S., 1779.Pink Road, Гатино, провинция Квебек, Канада J9J 3N7. Я нашел их очаровательными.

---

Эта страница под названием 11.8: Тепловые двигатели и холодильники распространяется в соответствии с лицензией CC BY-NC, ее автором, ремиксом и/или куратором является Джереми Татум.